有限元法分析0-6岁儿童枕寰枢复合体发育及其生物力学的变化特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0309

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (23): 3710-3715.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0309

• 骨与关节综述 bone and joint review • 上一篇下一篇

有限元法分析0-6岁儿童枕寰枢复合体发育及其生物力学的变化特征

冯会梅^1，2，王星¹，张少杰¹，许阳阳²，苏宝科²，李琨²，王海燕¹，李筱贺¹，李志军¹

¹内蒙古医科大学基础医学院解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010059；²内蒙古医科大学，内蒙古自治区呼和浩特市 010059

出版日期:2018-08-18 发布日期:2018-08-18
通讯作者: 李志军，教授，博士生导师，内蒙古医科大学基础医学院解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010059
作者简介:冯会梅，女，1990年生，甘肃省古浪县人，汉族，2016年甘肃省中医药大学毕业，主要从事脊柱与脊髓的数字化研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81260269，81560348，81660358)；内蒙古高等学校科学研究项目(NJZC16108)；内蒙古医科大学科技百万工程(2015YKDKJBW03，YKD2017KJBW009)

Development and biomechanical properties of occipital atlantoaxial complex in 0-6-year-old children: a finite element analysis

Feng Hui-mei^{1, 2}, Wang Xing¹, Zhang Shao-jie¹, Xu Yang-yang², Su Bao-ke², Li Kun², Wang Hai-yan¹, Li Xiao-he¹, Li Zhi-jun¹

¹Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; ²Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Online:2018-08-18 Published:2018-08-18
Contact: Li Zhi-jun, Professor, Doctoral supervisor, Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Feng Hui-mei, Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81260269, 81560348 and 81660358; the Higher Education Research Project of Inner Mongolia Autonomous Region, No. NJZC16108; the Science and Technology Million Project of Inner Mongolia Medical University, No. 2015YKDKJBW03 and YKD2017KJBW009

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

枕寰枢复合体：枕寰枢复合体由C₀-C₂的寰枕关节、寰枢正中(寰齿关节)和外侧关节及C₂_-₃的关节突关节、椎间盘与椎骨附件等构成。其作为连接颅脑与上颈椎的重要枢纽和力学桥梁，结构特殊、功能复杂，可灵活地满足头颈部多维运动并提供必要的力学支撑以保护生命中枢脑干及周围血管、神经等重要结构。

枕颈结合部畸形：泛指枕骨大孔区及上颈段发育异常，包括扁平颅底、颅底凹陷、小脑扁桃体下疝畸形(Arnold-Chiari畸形)、后颅窝狭窄、枕颈部Chiar畸形、先天性枕颈管卡压综合征、延髓被盖发育异常、枕大孔畸形、寰椎前、后弓不连、缺失(单侧和/或双侧)、寰椎枕骨化、寰枕融合、寰枢椎旋转畸形、齿突发育畸形(齿突缺如、发育不良和齿突小骨)、颈椎分节不全(Klippel-Feil综合征)及椎-基底动脉瘤相关疾病等等，这些畸形可单一或混合存在，绝大多数因胚胎异常生长发育所致，表现为枕颈不稳或寰枢椎不稳，常见的有短颈、斜颈、疼痛、活动受限和神经系统受压症状等多种临床表现。

摘要

背景：0-6岁儿童各类严重创伤、畸形、肿瘤、结核、炎症等均极易导致枕寰枢复合体区损伤。当出现损伤压迫延髓、上颈髓、诸多神经血管等危重情况时需手术矫治以恢复该区力学稳定，但鉴于该期儿童有不同于青少年和成人的发育特征，国内外学者对其前、后或侧路手术内固定器械方案设计、矫形固定和力学机制等至今仍无深入研究和统一认识。

目的：通过分析0-6岁儿童枕寰枢复合体区形态特征基础数据综述其形态发育规律和力学机制，将填充国人儿童该区发育形态学、影像学和微结构力学数据库，并为发育性、外伤性该区疾病的预防、诊治及内固定术器械设计、研发等提供理论依据。

方法：用计算机检索 2004 年1月至2017年12月 PubMed 数据库、中国知网及万方数据库的相关文章，英文检索词“0-6 years old，pediatric，occipital atlantoaxial complex，anatomy，biomechanical”；中文检索词“0-6岁小儿，枕寰枢复合体，解剖，生物力学”，共检索到82篇相关文献，58篇文献符合纳入标准。

结果与结论：①0-6岁儿童寰枢椎及颅底复杂解剖结构更加细小且变异大、毗邻关系复杂，无法以成人或青少年螺钉内技术相关数据简单地应用于“非成人等比例缩小”的发育中幼儿，加之手术风险极高，故提高置钉的准确性和降低失误率已成为曾经“生命禁区”内固定能否普遍基层开展的关键所在；②0-6岁小儿枕寰枢复合体区严重损伤应内固定治疗，后路内固定是常用术式，因常合并多种畸形，各患儿的骨质结构差异大，内固定置钉更为困难。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-7349-2769(冯会梅)

关键词: 枕寰枢复合体, 解剖结构, 有限元, 影像学, 0-6岁儿童, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: All types of severe trauma, malformations, tumors, tuberculosis, and inflammation in 0-6 years old children can easily cause damage to the occipital atlantoaxial complex. When the injury compresses the medulla oblongata, the upper cervical cord, nerves, and blood vessels, surgical correction is needed to restore the mechanical stability of the area. Given that this period of children have different development characteristics from adolescents and adults, the design of internal fixators through anterior, posterior or lateral approaches, orthopedic fixation and mechanical mechanism have not been studied in-depth and unified at home and abroad.

OBJECTIVE: To analyze the morphological development and mechanical mechanism of occipital atlantoaxial complex morphological characteristics in children aged 0-6 years, and to enrich the database of developmental morphological, imaging, and microstructural mechanics of Chinese, and to provide reference for prevention, diagnosis of the disease and treatment and internal fixation device design, research and development.

METHODS: A computer-based retrieval of PubMed, CNKI and WanFang databases was performed for the articles published between January 2004 and December 2017. The keywords were “0-6 years old, pediatric, occipital atlantoaxial complex, anatomy, biomechanical” in English and Chinese, respectively. Eighty-two articles were retrieved, and 58 articles were eligible for the inclusion criteria.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The complex anatomy of the vertebral and skull bases in Children aged 0-6 years is more subtle and highly variable, and the adjacent relationship is complex. Therefore, the adult or juvenile screw-related technical data cannot be applied in developing children, and the surgical risk is very high. Thus, improving the accuracy of nail placement and reducing the error rate have become the key for whether internal fixation can be widely utilized in the occipital atlantoaxial complex surgeries. (2) The severe injury of occipital atlantoaxial complex in 0-6 years old children should be treated with internal fixation, and posterior internal fixation is a commonly used method. Because accompanied with a variety of deformities, and the bone structure is different among children, internal fixation becomes very difficult.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Finite Element Analysis, Atlanto-Axial Joint, Atlanto-Occipital Joint, Child, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

冯会梅，王星，张少杰，许阳阳，苏宝科，李琨，王海燕，李筱贺，李志军. 有限元法分析0-6岁儿童枕寰枢复合体发育及其生物力学的变化特征[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(23): 3710-3715.

Feng Hui-mei, Wang Xing, Zhang Shao-jie, Xu Yang-yang, Su Bao-ke, Li Kun, Wang Hai-yan, Li Xiao-he, Li Zhi-jun. Development and biomechanical properties of occipital atlantoaxial complex in 0-6-year-old children: a finite element analysis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(23): 3710-3715.

图/表（结果） 1

2.1 小儿OAC的研究意义 迄今尚无比较可靠的相对共性化置钉解剖数据(置钉位置、深度、方向等)作为参考^[3-11]。随着国内生育“二孩政策”的调整，已经出现婴幼儿出生高峰期，对0-6岁OAC各相关结构等随宫内发育转为出生及生后快速发育巨大变化的形态特征、力学变化规律等基础研究提出更多、更高的需求，但目前国内外缺乏对该年龄段系统化、大样本、数字化的应用基础研究^[3-4^，^6-7^，^9-11]。故文章对0-6岁儿童OAC诸结构形态发育特征、力学变化规律、内固定技术标准、年龄界限及骨小梁显微结构增龄变化等系统化的交叉应用等进行综述具有重大现实意义。

2.2 小儿枕寰枢形态发育特征 枕颈结合部畸形泛指枕骨大孔区及上颈段发育异常，包括扁平颅底、颅底凹陷、小脑扁桃体下疝畸形(Arnold-Chiari畸形)、后颅窝狭窄、枕颈部Chiar畸形、先天性枕颈管卡压综合征、延髓被盖发育异常、枕大孔畸形、寰椎前、后弓不连、缺失(单侧和/或双侧)、寰椎枕骨化、寰枕融合、寰枢椎旋转畸形、齿突发育畸形(齿突缺如、发育不良和齿突小骨)、颈椎分节不全(Klippel-Feil综合征)及椎-基底动脉瘤相关疾病等等^[4-7]，这些畸形可单一或混合存在(图2)，绝大多数因胚胎异常生长发育所致，表现为枕颈不稳或寰枢椎不稳，常见的有短颈、斜颈、疼痛、活动受限和神经系统受压症状等多种临床表现^[4^，^7]。随着现代儿童身体发育、出行模式、阅读姿势、活动性质等的改变，国内外儿童的枕颈部各类创伤骨折(含产伤、睡姿不当)、先天发育畸形、颅颈区后天畸形、结核、肿瘤、感染、炎症等并不少见^[1^，⁴^，^6-7]，加之婴幼儿不能自我保护，外伤发病率反呈明显上升趋势。0-6岁儿童OAC在出生后形态发育、生理特性和力学机制等均有其自身的特征和规律，如枕-寰-枢发育中的一次、二次骨化中心、颅/面比、各颅囟与颅缝骨化与闭合时间；骺板、骨骺、寰椎“椎体”、齿突下“盘状软骨板”、齿突尖软骨、神经弓中心软骨联合(即位于椎体和椎弓根交接处的一对三维结构软骨板、枢椎双侧椎弓板逐渐发育靠近等)^[8]。而成人特有的颅-颈曲度及比例、寰齿正中关节与尚未确定的“寰齿侧关节”、寰枕与寰枢多个小关节及软骨、韧带、血管、神经等则多在0-6周岁期逐渐形成。

2.3 国内外研究现状及发展动态 Savage等^[12]和国内张跃辉等^[6]的小儿临床研究均报道外伤是最常见的导致上颈椎骨折伴脱位或不稳的原因。临床多为几种病变同时并存，因而临床治疗也采用多种方式并举的模式，但多以手术方式恢复上颈部的解剖功能；Fu等^[13](2013年)在4具成人尸体C₂_-₇上进行了24枚椎弓根螺钉导板设计和三维打印，效果良好；而Mulroy等^[14]认为临床易将儿童期颅底骨折与成人期等同视之，忽略了儿童期颅缝及其变异存在的可能，极易导致误诊误治，但其未进行三维CT影像重建测量儿童枕骨等的不同年龄段各部位厚度、内部骨小梁等发育指标。Adib等^[4](2016年)关于儿童颈椎X射线解剖、影像的综述中认为，通常小于8岁的儿童因脊柱未发育成熟及生物力学作用，损伤常发生在上颈椎；而年龄较大者其生物力学更接近成人，故损伤更易发生在下颈椎；儿童X射线平片颈椎外伤的解释必须考虑到年龄、损伤部位和损伤机制。儿童脊柱的特定解剖和生物力学的综合知识是怀疑颈椎损伤非常必要；识别任何可能的先天性异常，可能被误认为是损伤，由于误将正常的解剖结构及软骨结合(软骨的不完全骨化)诊断为外伤所致，小儿颈椎损伤在急诊中的诊断极具挑战性。鲍剑峰^[15]、谭明生等^[16]临床上颈椎病例研究认为儿童骨折类型与年龄、骨骼发育成熟度、软骨较多等有密切关系，压缩骨折多见而爆裂骨折较少，其可发生一些成人不可能发生的特殊型骨折。而国内外诸多相关研究都集中于成人寰枢椎、C₃_-₇的单独研究及成人枕骨及头颈部标本或病例测量^[13-14^，^17-19]。而儿童相关研究有CT影像资料比较分析小于16岁儿童颅骨骨缝愈合，但并未涉及0-6岁小儿^[20]；另对儿童颈段增龄变化规律的研究仅为2例儿童(无明确年龄)与5例青年(21-30岁)标本^[21]。贺盼盼^[8](2014年)研究了15例胎儿及3例住院患儿胸椎和腰椎神经弓中心软骨联合的形态特征；认为神经弓中心软骨联合的闭合是年龄和椎体水平双重依赖，4岁前是完全开放的，随后神经弓中心软骨联合的闭合沿着脊柱节段性进行，4岁时腰椎远端椎体的神经弓中心软骨联合最早闭合，下一闭合节段是上胸段胸椎(T₁_-₄)在5岁时闭合，接下来是中段及下段胸椎在5岁以后闭合；但其未研究小儿颈椎且仅为3例住院患儿；可能基于临床活体小儿该区影像扫描辐射、内固定技术难度大、功能复杂危险及尚在动态发育等诸多制约因素，尚未检索到对0-6岁儿童颅-颈结合区作为整体功能单元的增龄发育变化系统研究^[4^，^6-7]。但随着3D设计与打印技术迅速发展，近年已逐步应用于从1岁11个月到12岁不等的儿童枕颈区严重损伤及畸形的临床内固定中，且取得满意的临床疗效^[1-4^，^6-7^，^22]，并均认为在详细的术前规划、选择恰当直径螺钉、精湛外科技术下行小儿螺钉内固定是安全可行的。临床虽已开展了钛合金钢板-螺钉内固定术(后路寰椎经侧块关节螺钉、枢椎经椎弓根-椎体、枢椎椎体-齿突、寰-枢联合、枕-寰-枢联合内固定及经口前路寰-枢联合内固定等^[6-7^，^10-12^，^15-18^，^22])，且报道其具有多点固定、生物力学合理、相对稳定牢固等优点，但0-6岁儿童寰枢椎及颅底复杂解剖结构更加细小且变异大、毗邻关系复杂，无法以成人或青少年螺钉内技术相关数据简单地应用于“非成人等比例缩小”的快速发育中幼儿，加之手术风险极高，故提高置钉的准确性和降低失误率已成为曾经“生命禁区”内固定术能否普遍基层开展的关键所在^[15-18^，^22]，但临床症状出现应手术治疗，后路螺钉内固定是常用术式，因常合并多种畸形，各患儿的骨质结构差异大，内固定置钉更为困难。迄今尚无比较可靠的共性化置钉解剖数据(置钉位置、深度、方向等)作为应用参考^[3-4^，^7-11^，^22]。故对0-6岁儿童OAC诸结构形态发育特征、力学变化规律、内固定技术标准、年龄界限及骨小梁显微结构增龄变化等系统化的交叉应用研究具有重大现实意义。之前研究因X射线片仅能提供OAC区显影的二维结构，CT或MRI扫描也只能反映骨骼或软组织病变的断层信息，远无法满足临床三维应用需求，造成诸多极有价值信息的缺失。随着数字化技术应用于医学领域，传统医学正朝着以“精确化、个性化、微创化、远程化”为主要特征的现代医学方向发展。三维重建技术可将一系列二维图像重建三维数字化模型进行定性和定量测量分析，为医学研究、临床诊治提供清晰、直观、立体的三维影像信息，近年来亦应用于成人和儿童颅-颈交界的螺钉置入固定术中^[9-11^，^22-25]；2014年刘忠军教授团队完成世界首例3D打印人工枢椎置换术(12岁颈椎尤文氏骨肉瘤患者)，而2016-02-23网报悉尼神经外科于2015年12月耗时15 h完成上颈椎脊索瘤切除后用3D打印内植物连接修复，也称“世界首次进行此手术”。

2.4 有限元分析和数字化应用

2.4.1 有限元分析法在小儿OAC发育中的应用计算机有限元分析法可对形状、结构、材料和载荷情况极其复杂的生物体构件进行应力、应变分析，具有实验时间短、费用少、力学性能测试全面及可重复性强等突出优点；国外2013年Meyer等^[26]开发了3岁儿童颈椎有限元模型，以椎骨建立为刚体，椎间盘为弹性材料，较之前有较大进步；国内董立强^[27]、曹立波等^[28]均使用有限元法模拟10岁儿童遭受汽车碰撞，探索颈部损伤的特点和机制，取得较好效果；作者所在课题组的研究生已完成10岁儿童OAC有限元模型并分析了在进行前屈、后伸、侧屈、旋转过度加载(颅底垂直加载30 N预压力， 5.0 N·m)，展示寰椎、枢椎、齿突及寰椎横韧带的应力云图及其应力分布的变化特点，分析了儿童上颈椎损伤的机制^[24]；发表了经口寰枢椎前路钢板固定有限元分析及临床意义的论文^[25]。经PubMed、Cochrane Library、Web of Science、CNKI、万方等数据库检索均未查到通过三维重建技术针对0-6周岁国人儿童OAC内固定器械计算机有限元模拟仿真和尸体标本置钉生物力学研究的报道。

2.4.2 Micro-CT断层扫描在小儿脊柱方面的应用深入了解椎骨内微结构，为研究者从形态学及组织学探索其功能开启了新途径，而运用Micro-CT可无损、直接地获得所测量标本的微结构，对于骨科领域基础研究，尤其生物力学相关研究意义重大，可对同一标本力学测试前后的微结构变化进行纵向比较，被广泛地应用于骨微结构的探索中^[29]；Micro-CT是一种非破坏性的3D成像技术，可在不破坏标本的情况下清晰观测标本的内部显微结构。其与普通CT最大差别在于分辨率极高、辐射低、重建算法精确等优点，可达微米级。结构模型指数对于既有板状骨小梁又有棒状骨小梁的椎骨(寰枢椎标本而言，结构模型指数值决定于板状与棒状骨小梁的体积比，对骨内微结构的定量描述至关重要)。关于椎体微结构参数与年龄的动态变化研究证实，结构模型指数随着年龄的增长明显增长，说明随着年龄的增长，骨小梁会从板状向棒状转化，骨体积分数随着年龄明显降低，骨小梁厚度会随年龄的增大逐渐变小；但随月(年)龄发育的显微骨小梁结构及力学变化的基础及三维重建研究尚处于起步阶段^[30]；Sinha等^[31](2015年)报道了成人施行枢椎椎板螺钉内固定术患者术后随访，22%出现了椎板内侧皮质破裂；未检索到关于0-6岁儿童寰枢椎系统的相关研究^[32-35]。

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引言

材料方法

讨论

3 结语 Conclusions
综上所述，①利用数字化技术对0-6岁儿童OAC区相关结构增龄发育特征行大样本、从大体到微观的系统分析、应用有限元分析与生物力学对比研究均尚未见报道；②随着颅-颈各类创伤、发育畸形、结核、肿瘤及骨代谢疾病的微创诊疗需求，各发育结构的解剖参数变化、力学性能差异、螺钉技术标准、介入治疗路径、畸形矫正及人工椎骨、寰齿关节、组织工程设计与制造等均急需国人儿童颅-颈结合区各结构发育特征增龄变化系统的基础理论数据，因此，此次课题研究也可为厂家设计、生产小儿外固定颈围领、“国人小儿Halo架” (颅-颈联合外固定架)、前和/或后路内固定钉-棒系统及预防、矫形诊疗、数据库建立等提供理论参数标准。

4 讨论与展望 Discussion and prospects

(1)课题组成员已在内蒙古医科大学分子与功能影像研究中心(省级工程技术研究中心)运用Micro-CT(Siemens Inveon PET/CT，德国)扫描了5例寰枢椎标本，并用Inveon Research Workplace软件对10个椎骨进行三维重建；测量其椎内各部骨小梁显微结构的骨小梁厚度、分离度、数目、骨组织表面积、骨面积体积比等9项参数(图3)，将骨小梁进一步细分为垂直和水平方向探索^[36]，为此课题深入研究0-6岁儿童OAC螺钉固定术提供实践经验和技术方法。

(2)小儿OAC损伤检查目前主要依托影像学表现，有关文献统计，50%小儿颈椎患儿获得及时，全面，准确的诊断信息主要依托影像学检查^[37]，尤其是CT、三维重建及磁共振检查，其中磁共振检查脊髓内信号和椎旁软组织改变可能是颈椎急性损伤的惟一证据^[38]，因此，CT及MRI检查有助于确定诊断和制定治疗计划^[39]。

(3)小儿OAC外科手术治疗策略以螺钉寰枢椎后路固定为“金标准”^[40]。颈椎椎弓根螺钉最大的优势在于其生物力学的稳定性和植骨的成功率，术后无需复杂的外固定支具^[41-42]。但年龄较小儿童，相对较多的解剖学异常使C₁-C₂侧块和椎弓根钉技术很难得以实现，手术难度大，风险较高，特别是本身处于生长高峰之前，寰枢椎内固定可能影响该阶段颈椎的发育而带来远期问题^[43]。颈椎融合术后内固定物是否需要取出这是一个充满矛盾和挑战的话题^[44]。小儿寰枢椎不稳的手术治疗也是此文讨论的重点。手术主要针对经非手术治疗无效和有神经功能损害的寰枢椎不稳者^[45]。

(4)此课题组成员将继续深入探索0-6岁国人儿童OAC区相关结构发育特征分年龄、侧别、大样本系统的数字化三维形态测量、多层螺旋CT三维重建定量、有限元与生物力学对比分析、Micro-CT显微骨内钉道结构研究等，充分利用发育形态学、局部解剖学、现代影像学、有限元分析、生物力学及计算机三维重建等多学科领域的交叉应用基础研究手段，探索各年龄段儿童OAC区增龄变化的形态发育特征、力学变化规律、损伤与内固定力学机制及技术标准、发育骨龄年龄界限及显微结构与骨密度变化等发育特征，研究具有重大的经济和社会效益。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

有限元法分析0-6岁儿童枕寰枢复合体发育及其生物力学的变化特征

Development and biomechanical properties of occipital atlantoaxial complex in 0-6-year-old children: a finite element analysis

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